橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象與成因
2015-04-15
混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害是許多橋梁存在的問題。從結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)涵出發(fā)，首先介紹當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象，然后對引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素分析。
經(jīng)過近幾十年的快速發(fā)展，我國橋梁的數(shù)量已十分龐大。其中有不少橋梁暴露出病害，更有一些橋梁在遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期使用壽命時，就出現(xiàn)耐久性能嚴(yán)重退化的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)倒塌等毀滅性事故。使用壽命及耐久性能的提高將是21世紀(jì)橋梁技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。
一、結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)涵
在最普遍的意義上，結(jié)構(gòu)的耐久性就是指其維持初始性能(包括安全性、適用性及美觀)的能力。從專業(yè)研究及便于量化的角度，結(jié)構(gòu)的耐久性可更具體的定義為：結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境及其他因素(設(shè)計預(yù)期的正常荷載，對于突發(fā)性災(zāi)害事件不應(yīng)多考慮)共同作用下，在同樣(或等效的)的建設(shè)和運營維護(hù)總成本(壽命周期總成本)下，在設(shè)計使用壽命期內(nèi)，保持預(yù)期的安全性、適用性的能力。即耐久性的內(nèi)涵應(yīng)包括耐久的長壽命及經(jīng)濟(jì)地耐久性。
二、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害現(xiàn)象
（一）橋面鋪裝破壞
在車輛(尤其是超載、超限車輛)的長期作用下，尚未達(dá)到預(yù)期年限的橋面板經(jīng)常出現(xiàn)凸凹不平或網(wǎng)狀開裂等破壞現(xiàn)象。橋面鋪裝的過早破壞是世界范圍的難題，特別是在氣候寒冷需要采用除冰鹽消除橋面積雪的國家和地區(qū)，因為氯鹽侵蝕和凍融破壞的共同作用，橋面鋪裝壽命短、病害嚴(yán)重的情況非常普遍。橋面鋪裝損壞的問題在我國也非常嚴(yán)重，不僅在早期修建的橋梁中大量存在，而且國內(nèi)近年來修建的幾座特大型橋梁(如虎門大橋、廈門海滄大橋、江陰大橋等)在運營不到5年就紛紛出現(xiàn)橋面鋪裝損壞的問題。
?。ǘ蝾^跳車
橋梁運營一段時間后，普遍存在臺后填土下沉的現(xiàn)象，使橋頭跳車成為一種常見的病害。跳車產(chǎn)生的劇烈沖擊和振動降低了行車的舒適性、增加了汽車的故障率，車輛對橋臺和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的沖擊力，又會使跳車現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并影響橋梁的耐久性與使用壽命。
?。ㄈ┗炷灵_裂
在混凝土橋梁中，梁體開裂是一種影響耐久性的較為普遍的現(xiàn)象?；炷亮芽p按開裂部位可分為：主梁頂、底板開裂，腹板開裂，齒板開裂，預(yù)應(yīng)力錨頭區(qū)開裂等。按成因可分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫是指混凝土所受拉應(yīng)變超過極限應(yīng)變而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，它的寬度可隨著荷載的變化而變化。非結(jié)構(gòu)裂縫一般是指由于變形受到約束而出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。
?。ㄋ模╀摻钿P蝕
受力鋼筋的銹蝕將導(dǎo)致其有效截面的下降；銹蝕后鋼筋的體積膨脹又會導(dǎo)致混凝土開裂或表面混凝土成塊脫落，從而削弱構(gòu)件整個截面的面積；隨著鋼筋銹蝕程度的增大，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力減小、共同作用受到損害，從而引起構(gòu)件承載力下降?；炷灵_裂后又使原來處于混凝土保護(hù)層下的鋼筋暴露于空氣中，加快了鋼筋銹蝕速度，造成惡性循環(huán)。引起鋼筋銹蝕的兩個主要原因是混凝土的碳化及氯離子的侵蝕。
三、引起橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的因素分析
引起橋梁病害的因素很多，涉及到橋梁的勘探、設(shè)計、施工、使用、養(yǎng)護(hù)等各個方面，且因橋梁的結(jié)構(gòu)類型、使用環(huán)境等的不同而不同。許多設(shè)計人員往往只滿足于規(guī)范對結(jié)構(gòu)強度計算上的安全度需要，而忽視從結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、材料、結(jié)構(gòu)維護(hù)以及從設(shè)計、施工到使用全過程中經(jīng)常出現(xiàn)的人為錯誤等方面去加強和保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。當(dāng)然使用方面也存在造成橋梁結(jié)構(gòu)耐久性病害的原因。總的來，主要有下面幾個方面。
?。ㄒ唬┰O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低
我國公路橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過多次修改逐步提高的，隨著交通事業(yè)的發(fā)展，舊有橋梁的荷載標(biāo)準(zhǔn)不能滿足當(dāng)前汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)的要求，由此可能導(dǎo)致橋梁耐久性加速劣化，這種情況在世界各國都普遍存在。此外，長期以來，由于經(jīng)濟(jì)及社會條件的限制，我國規(guī)范在橋梁性能及構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計方面的要求一直較低，也在客觀上影響了橋梁的耐久性。
（二）結(jié)構(gòu)與構(gòu)造細(xì)節(jié)不合理
在國內(nèi)橋梁總體設(shè)計方案的比選過程中，一般由地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素來決定方案的取舍，而很少從耐久性的角度來進(jìn)行分析和評價。例如采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，簡支或連續(xù)，T型梁或箱梁以及跨徑比例、斷面尺寸的擬定等眾多結(jié)構(gòu)與構(gòu)造問題，不但影響經(jīng)濟(jì)性，對橋梁的耐久性能也有很大影響，評價指標(biāo)的缺失，可能導(dǎo)致中選方案的結(jié)構(gòu)耐久性能不足，為運營后橋梁出現(xiàn)病害埋下了病根。有的結(jié)構(gòu)整體性和延性不足，冗余性小；有的計算圖式和受力路線不明確，造成局部受力過大；有的混凝土強度等級過低、保護(hù)層厚度過小、鋼筋直徑過細(xì)、構(gòu)件截面過??；這些都會削弱結(jié)構(gòu)耐久性，增加橋梁的病害。
（三）計算的因素
在橋梁設(shè)計和計算過程中，未充分考慮混凝土徐變、收縮及溫度應(yīng)力等非荷載因素的影響；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時過度強調(diào)局部性單元劃分的精細(xì)化，對結(jié)構(gòu)邊界約束、銜接條件和傳力路徑等全局性問題認(rèn)識不夠；對施工方法、順序和施工荷載對結(jié)構(gòu)成橋性能的影響重視不夠：在構(gòu)件的特殊部位，如構(gòu)件的角隅處，預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固處，在局部應(yīng)力傳遞與分布的影響下，會出現(xiàn)應(yīng)力突變，由于計算手段和理論的局限，往往出現(xiàn)構(gòu)造配筋布置不足或不當(dāng)?shù)膯栴}。
?。ㄋ模┢嚦d運行
汽車超載主要有三種情況：其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計預(yù)期；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計荷載的變化和交通量的增加所導(dǎo)致；后者是車輛使用者違法超載營運，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路交通運輸中較為普遍。一方面，橋梁的超載使用可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些由超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。另一方面，由于超載造成的橋梁內(nèi)部損傷不能恢復(fù)，將使橋梁在此后正常荷載下的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而可能危害橋梁的安全性和耐久性。
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其他對橋梁造成的危害的因素包括風(fēng)雨侵襲及自然環(huán)境作用、受到意外強烈沖擊、溫度的變化導(dǎo)致的力及應(yīng)力重分布、地震、洪水等自然災(zāi)害等。橋梁的耐久性病害和原因并不完全是一一對應(yīng)的，往往一個因素是誘發(fā)病害的主要起因，其他因素則加速或促進(jìn)病害的發(fā)展。
